建筑学专业实践教学体系改革探究

摘要:本文以高校本科建筑学专业实践教学体系为研究对象，以虚拟现实技术为核心，对实践课程体系里无法在现实环境中实现的教学内容进行仿真模拟。从专业培养计划中的两个实践环节——“集中实践”和“理论课程中的实践”分别进行改革并整合，形成虚拟仿真实践教学体系，建立多层次、模块化、立体化的虚拟仿真实践教学系统平台，为学生创新能力培养提供了一条有效途径。该平台系统依托互联网教育平台搭建，并可多终端使用。其引入了学生主动式学习的思想，能够与线下理论课程相融合，构建了混合式学习、动态式跟踪、智能化评价、数字化管理的新型实践教学模式，以解决传统实践教学模式的弊端和不足，并具有在相关专业中推广的应用价值。

关键词:虚拟现实技术；建筑学专业；实践教学体系

1引言

虚拟现实技术融合了多种先进技术，包括数字图像处理、多媒体和人工智能等。通过应用虚拟现实技术，利用计算机生成一个可以反映真实情景的虚拟情景，通过人机交互，能够让用户有身临其境之感。因为这种特点，虚拟现实技术获得了广泛的应用，包括影视娱乐、航空、医学、军事、设计及教学等多个领域。虚拟现实技术以独特的全沉浸式和交互性特点,为创建教学情境提供了有力的支持,极大地改变了学生的学习方式。在高等本科教学体系中，实践教学是一项重要内容，能够有效地提升学生动手操作和解决实际问题的能力。通过将虚拟现实技术应用到实践教学之中，可以解决传统实践教学与当今应用创新型人才培养之间的一些主要矛盾。构建多层次及立体化的实践教学体系，能够覆盖整个实践性教学环节，根据教学大纲、人才培养方案、教学方法、教学内容的要求，对每一环节进行恰当的分类汇总，开拓实践教学思路，创新实践教学理念，培养学生解决实际问题的能力，进而对提高就业竞争力有着很大的帮助，可进一步推动对高层次创新型人才的培养。从当前国内高校教学中虚拟现实应用技术的实际情况来看，主要应用于单一场景构建、单一课程设计和单一实验项目模拟等方面，应用范围较为狭窄，没有建立起能够参考的融合实践教育指导，以及可供直接迁移应用的融合策略，在高等本科教学中没有形成训练目标全面精准、应用性广泛的实践教学体系。综上所述，高校实践教学体系的改革需要同时着重于学生创新能力的培养与开发，建立高校本科虚拟仿真实践教学系统平台显得十分必要。

2研究内容

本文从“集中实践”和“理论课中的实践”两个教学环节全面进行改革，构建多层次、模块化、立体化的实践教学体系，以建立建筑学专业虚拟仿真实践教学系统平台(见图1）。

2.1集中实践环节改革

2.1.1实验实操——虚拟实验室

通过应用虚拟现实技术能够构建具有开放性的构造、物理、设备、结构和测绘等虚拟实验室，由于其具有开放性的特点，使得实验室可以不受时间和空间的限制，从而使学生可以自由切入虚拟实验室，通过人机交互，可以有身临其境的感觉，进行认知学习和试验，有效地提高学生的学习效果，提高教学质量，进一步提升学生的实践能力。同时，应用虚拟现实技术还可以构建综合网络平台，构建不同难度的关卡，使学生在网络游戏平台以闯关的形式来一步一步走向成功，通过这样的方式来获取学分、证书等，这样能够提高教学的娱乐性，从而激发学生的学习兴趣，有效的提升教学效果。（1）构造实验室施工图的识读和绘制对于学生的空间想象力有着比较高的要求，但是当前学生空间想象力差的问题比较常见，尤其是比较复杂的构造详图，学生在识读和绘制时会面临比较大的困难。在传统的教学模式下，教师通常采用图片展示和让学生参观学校构造展示室的方式来进行教学，教学效果较为一般。通过应用虚拟现实技术，可以让学生身临其境地进行学习，在虚拟现实实验室内，学生可以在虚拟施工现场分解各个构件，还可以进行各种构造的反复操作，从而对各个细部节点的构造做法和施工过程等进行细致的观察，让学生更加深入地了解构造原理，提高学生对复杂构造详图的识读和绘制的能力。（2）测绘实验室对于建筑学专业的学生而言，需要很多的实践机会来将所学的知识应用到测绘实践中，从而提升测绘实践的水平。但是在实际的教学工作中，高校受到经费和资源等因素的限制，常常无法为学生提供足够的实践机会，难以对学生的测绘实践能力进行良好的培养。通过引入虚拟现实技术，可以对测绘工程中所需要的设备进行虚拟构建，并且模拟出测绘设备的操作流程，从而使学生能够通过虚拟测绘设备来进行实践，为学生提供充足的真实实践机会，提高其测绘性能。（3）物理实验室建立虚拟物理实验室，能够为学生提供通风、采光和日照等物理环境，让学生对这些物理环境进行分析。以风环境为例，设计者可以在电脑中设计出模拟建筑物，然后基于真实环境的气候条件，构建模拟气流，进行模拟实验。学生通过应用虚拟现实技术来感受气流情况，使学生真实地感受到气流对人的影响。通过应用虚拟现实技术，还能够对建筑物模型和气流走向、强度等参数进行实时的修改，使学生对气流影响有更深入的认识。学生通过应用计算机对实时的数据指标进行统计，根据数据对建筑通风设计进行优化，改进通风条件，提高设计方案的合理性，满足绿色生态的设计要求。（4）设备实验室通过虚拟现实技术，能够构建设备实验室，在设备实验室内学生可以进行设备的安装、性能测试等训练，这样不仅不存在危险性，不会导致设备损坏，同时还能够不限制次数地进行实验，学生可以实现直接学习和完全掌握技能。由于这样不会造成设备损坏，学生可以更加大胆地进行尝试，提高学习效果。通过这样的教学方式，能够节约时间，节省经济成本，提高实验效果。通过虚拟场景，学生可以对虚拟场景内是否存在死角进行判定，对设计的科学性和合理性进行判断，从而提高设计的科学性和合理性。（5）结构实验室在传统的实验教学工作中，通常只能实现对建筑物的某些结构构件的某些性能进行测试，这样不能完全将专业课程中涉及的知识呈现出来。对于结构实验而言，存在实验准备时间长、费用高、劳动强度大等问题，而且实验结束后大部分试件都会报废，造成资源的浪费。学生由于普遍缺乏经验，容易因操作问题而导致实验失败，浪费时间和实验资源。通过应用虚拟现实技术，构建虚拟结构实验室，可以对实践课程中涉及的实验内容开展虚拟仿真实践教学，使学生在较低试验成本下快速、重复地进行实验，对专业基础知识进行拓展，提高学生的实践能力，以提升教学效果。

2.1.2设计实操——虚拟设计室

设计类实践课程教学在虚拟现实技术的支持下，将实现教学内容实操化、教学环境虚拟化、教学过程交互化、教学评价客观化，培养学生的学习兴趣和创新能力。（1）中国传统设计室建立中国传统虚拟设计室，对辽宁省教育厅倡导的课程结合思政的教学改革是十分必要的。设计室不仅可以永久保留建筑遗产所携带的历史信息，也将每一届的学生研究成果记录在案，起到了弘扬传统文化的积极作用。按照《营造法式》中的描述来建立建筑构建模型群或营建小型官式厅堂模型，学生通过模型进行学习，对古代建筑的营建过程可以有更详细、深入的理解。通过这样的方式，教师的教学过程可以摆脱实木模型的限制，教学的重点不会局限于个别建筑构件，而是让学生可以对建筑木构架的整体构建方式有全面和整体的认识。在实际的教学中，教师还可以利用虚拟模型和传统教学辅助教学的方式，解决学生学习过程中遇到的问题。在虚拟模型中，能够建立梁、柱等一系列预制原型配件，学生能够对原型配件进行组合，完成个别单元的构建，然后根据组合法则，建构单元组成建筑物。建立的原配件虚拟模型越多，就可以构建出越多传统建筑组合模型，从而使学生可以对建筑组件的系统性有全面的了解。（2）创新创业设计室学生接触先进的、前沿的虚拟现实技术，为其参加部级、省级虚拟创新学科竞赛奠定基础。学生可通过创新创业项目实例全过程学习掌握Revit、Sketchup、VDP等绘图软件，让学生体验从识图、建模、渲染、动画、虚拟仿真交互，到完成整个设计动画解说和展示视频，提高学生的创新创业能力，为其今后的工作奠定较好的基础，（3）本科课程设计室课程设计是建筑类专业学生的核心课程。在虚拟课程设计室中，学生可以实现建筑要素的自行拆解和重建，对建筑要素进行修改、比较和对比等，对案例进行更加全面、详细的分析，可以对不同的建筑方案进行实时的切换，实现多方面的比选。还可以针对不同的建筑方案，设定相同的观察点或者序列，进行观察和比对，从而能够更加清晰地比较不同方案的优缺点，为决策提供依据。此外，还能够对建筑局部进行实时的方案比选，若存在不满意的地方，应用虚拟编辑工具就能够对各空间要素进行修改和替换，这种修改方式可以更好地让学生比较、判断不同设计方案的优劣。

2.2理论课程中的实践环节

通过应用虚拟现实技术，将理论课程的实践环节作为教学演示，使学生对理论知识有更加深入的了解，并且通过教学实验和认知学习等，提高课堂教学的结果。教师可以让学生进行虚拟仿真模型体验和虚拟交互演示等活动，通过将知识点融入方针教学中，让学生对课程学习更有兴趣，使学生能够更加主动地学习，激发学生的创新思维，从而使学生对所学知识有更深的理解。在“教、学、做、练”过程中让学生领悟知识点，实现理论实践一体化教学。

2.2.1全沉浸式虚拟课堂

全沉浸式虚拟课堂是利用虚拟现实技术的全沉浸式特点，应用虚拟仿真实践教学体统平台中的可视化数字资源库的资源案例，采用模型案例分析、视频案例分析、动画案例分析等方式进行授课的教学模式，具有情景构造搭建和项目策划分析两种应用模式。（1）情景构造搭建理论课程中的案例教学应用虚拟现实技术能够搭设逼真的虚拟智能工程环境，并且具备相对真实的场景感，学生能够自由地进入项目的各个角落，对各个环节进行深入的观察，从而让学生对项目有更深的理解，使学生产生更深的兴趣。通过在各个虚拟案例中进行漫游，从真实的角度或非常规的角度来进行观察，提高判断能力，发现创造的方法。这可以帮助学生发现问题，得到构思灵感，准确地理解、掌握教学内容和概念。（2）项目策划分析从设计教学结构来看，在前期需要由教师带领学生分析项目的具体结构，包括地形地势、地理位置和环境信息等。对项目设计的优劣势进行总结，最终确定方案是否可以进行。在实际的项目分析中，要进入实地进行考察，会受到时间、成本和距离等多方面因素的限制，因此通常只能够在课堂上进行大部分项目结构分析的教学，学生通过教师传达的信息来对项目的具体情况进行判断。这种教学活动过于表面化，学生无法结合实际情况进行判断，学习效果差。通过应用虚拟现实技术可以有效地解决这一问题，应用辅助设备可以让学生对项目案例进行全面的检查，对项目的各种结构进行全面的分析，深入了解地形地势、周边环境等因素对于设计的影响，提高教学效果。

2.2.2交互式动态课堂

交互式虚拟课堂是利用虚拟现实技术的交互式特点，应用虚拟仿真实践教学体统平台中的虚拟现实工程体验馆的资源案例，采用虚拟模型感知、实景案例感知、全景案例感知等方式进行授课的教学模式，具有多维体验设计和行为交流互动两种应用模式。（1）多维体验设计在设计的项目进行具体落实之前，需要对整体方案进行规划，学生要对项目进行定量、定位的判断，包括平面图、立体图、剖面图、效果图的设计等，在方案中需要将设计的细节展现出来。通过应用虚拟现实技术，学生能够深入项目内部，实现多维体验，对布局、装饰、色彩和结构等之间的关系进行真实的感受，然后对设计布局进行优化。对于提高学生的创新能力、培养其审美意识具有重要的意义。（2）行为交流互动在传统的教学模式下，教师通过采用PPT和视频讲解等方式来进行经典案例的分析和讲授，师生之间在案例探讨过程中的交流是单向的。而通过应用虚拟仿真实践教学系统平台构建虚拟场景，学生和教师在虚拟空间中进行双向讨论，全方位地交流，尤其是教师在空间尺度和场所的讲授过程中，更加具有场所感。在结构选型和表皮材料的研究时，沉浸式空间可以时时感受不同结构、不同材料的变化，使教学讲解更加生动，这种良好的教与学的互动方式不仅能及时评价学生的学习情况，而且能使学习更加生动、主动。

2.3多元化智能评价体系和动态更新机制

客观、科学、全面、有效地进行教学评价是实践课程体系改革的直接动力，因此虚拟仿真实践教学系统需要构建相应的学习评价体系，来评估学生学习的效果，应该包括对知识、技能、方法、情感、认知力、价值观、态度等多方面的评价。多元化智能评价体系是具体教学实施的关键构成，其应强调动态性、生成性和互动性评价，从而使师生双方都可以对学习成果进行检测，分别完成“教”和“学”的任务。一方面，教师应对学生的学习进行全程的跟踪和评价，在评价过程中，信息素养、实践操作等能力的权重应得到提升。通过收集、整理和分析相关数据，对学生的知识水平和学习风格差异进行全方位的了解，根据结果设计个性化的教学和辅导方案。同时，分析结果还可以作为平时成绩以及综合评价的重要参考依据。另一方面，学生可以根据测评标准，更加全面地了解自身的学习情况和不足，根据自测结果来对学习方法进行优化和改进，反思自身不足，总结经验，从而更好地提高学习效果。虚拟仿真实践教学系统平台的建设，需要逐步形成规范的教学更新制度建设，将思政改革和其他相关专业的实践教学内容、教学手段逐步纳入更新体系，形成一个全面并且层次化、立体化的实践实训平台，能够服务于更多专业的学生，为教师提供科研平台，推动学校的转型建设发展。

3结语

对于虚拟仿真实践教学系统平台的建设，笔者课题组已开展了相关的研究工作，依托HTML5和3D数据引擎技术，完成了建筑学专业的虚拟仿真实践教学系统平台的初步构建（见图2、图3），以建筑测绘课程为对象，建立了虚拟仿真的测绘实验教学测试系统（见图4、图5），并对如何开展新型教学模式进行了初步的探索和研究，形成了一定的认识，将新的教学模式在小范围内进行了测试，积累了一定的研究成果和经验。虚拟仿真实践教学系统平台建成后，在新的实践平台运营模式和建设理念下，实践平台将处于动态的开放性状态，在不断与外界进行信息交换并优化的过程中，整体水平得到了提升，可以实现校内分享、校际交流和各方联动。开放性实践教学系统可以面向多学科、多专业和多学院，实现信息共享，从而使实践平台的作用得到充分发挥。

参考文献

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作者:张广媚 单位:大连理工大学城市学院